Семейство GTPases Rho представляет собой семейство небольших (~ 21 кДа) сигнальных G-белков и является подсемейством суперсемейства Ras . Было показано , что члены семейства Rho GTPase регулируют многие аспекты внутриклеточной динамики актина и обнаружены во всех царствах эукариот, включая дрожжи и некоторые растения. Детально изучены три члена семейства: Cdc42 , Rac1 и RhoA . Все G-белки представляют собой «молекулярные переключатели», а белки Rho играют роль в развитии органелл , динамике цитоскелета , движении клеток и других общих клеточных функциях. [1] [2] [3] [4] [5]
Идентификация семейства ГТФаз Rho началась в середине 1980-х годов. Первым идентифицированным членом Rho был RhoA, случайно выделенный в 1985 году в результате скрининга кДНК низкой строгости . [6] Rac1 и Rac2 были идентифицированы затем, в 1989 году [7], а затем Cdc42 в 1990 году . [8] Восемь дополнительных членов Rho млекопитающих были идентифицированы в результате биологических скринингов до конца 1990-х годов, что стало поворотным моментом в биологии, когда стали доступны полные последовательности генома. позволила полную идентификацию семейств генов. Все эукариотические клетки содержат Rho-ГТФазу (от 6 у дрожжей до 20 у млекопитающих). Таким образом, у млекопитающих семейство Rho состоит из 20 членов, распределенных в 8 подсемейств: Rho, Rnd, RhoD/F, RhoH, Rac, Cdc42, RhoU/V и RhoBTB. [1]
Еще в 1990 году Патерсон и др. начали экспрессировать активированный белок Rho в фибробластах Swiss 3T3 . [9]
К середине 1990-х годов было обнаружено, что белки Rho влияют на формирование клеточных отростков («отростков») в фибробластах. В обзорной статье 1998 года Алан Холл собрал доказательства, показывающие, что не только фибробласты образуют отростки при активации Rho, но и практически все эукариотические клетки. [10]
Обзорная статья 2006 года, написанная Bement et al. исследовали значение пространственных зон активации Rho. [11]
Семейство ГТФаз Rho принадлежит к суперсемейству белков Ras , которое у млекопитающих насчитывает более 150 разновидностей. Белки Rho иногда обозначают некоторых членов семейства Rho ( RhoA , RhoB и RhoC ), а иногда относятся ко всем членам семейства. Эта статья о семье в целом.
У млекопитающих семейство Ро насчитывает 20 членов. [1] Почти во всех исследованиях участвуют три наиболее распространенных члена семейства Rho: Cdc42, Rac1 и RhoA.
Эти 20 представителей млекопитающих подразделяются на подсемейство Rac (Rac1, Rac2, Rac3 и RhoG), подсемейство Cdc42 (Cdc42, TC10/RhoQ, TCL/RhoJ), семейство RhoUV (RhoV/Chp и RhoU/Wrch-1/). , подсемейство RhoA (RhoA, RhoB и RhoC), подсемейство Rnd (Rnd1/Rho6, Rnd2/RhoN и Rnd3/RhoE), подсемейство RhoD (RhoD и RhoF/Rif), RhoBTB (RhoBTB1&2) и RhoH/TTF. [1]
Были идентифицированы три основных класса регуляторов передачи сигналов белка Rho: фактор обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) , белки, активирующие GTPase (GAP) и ингибиторы диссоциации гуаниновых нуклеотидов (GDI) . [12] GEF активируют белки Rho, катализируя обмен GDP на GTP. GAP контролируют способность GTPase гидролизовать GTP до GDP , контролируя естественную скорость движения от активной конформации к неактивной конформации. Белки GDI образуют большой комплекс с белком Rho, помогая предотвратить диффузию внутри мембраны и в цитозоль и, таким образом, действуя как якорь и обеспечивая жесткий пространственный контроль активации Rho. [12] У человека 82 GEF (71 Dbl-подобный [13] и 11 DOCK-подобный [14] ) положительно контролируют активность членов Rho, тогда как 66 белков GAP контролируют ее отрицательно. [15]
Недавняя работа выявила важные дополнительные регуляторные механизмы: микроРНК регулируют посттранскрипционный процессинг мРНК, кодирующих Rho GTPase; пальмитоилирование и ядерное нацеливание влияют на внутриклеточное распределение; посттрансляционное фосфорилирование, трансглутаминирование и AMPylation модулируют передачу сигналов Rho GTPase; а убиквитинирование контролирует стабильность и оборот белка Rho GTPase. Эти способы регуляции усложняют сигнальную сеть Rho GTPase и обеспечивают точный пространственно-временной контроль отдельных Rho GTPases. [16]
Каждый белок Rho влияет на множество последующих белков, каждый из которых играет роль в различных клеточных процессах. Было обнаружено более 60 мишеней трех распространенных Rho GTPases. [17] Двумя молекулами, которые непосредственно стимулируют полимеризацию актина, являются белки Arp2/3 и родственные Diaphanous формины. [18]
Белки Rho/Rac участвуют в широком спектре клеточных функций, таких как полярность клеток, везикулярный транспорт, клеточный цикл и динамика транскриптомов. [2]
Клетки животных образуют множество различных форм в зависимости от их функции и расположения в организме. Белки Rho помогают клеткам регулировать изменения формы на протяжении всего жизненного цикла. Прежде чем клетки смогут подвергнуться ключевым процессам, таким как почкование, митоз или передвижение, они должны иметь некоторую клеточную полярность .
Один из примеров роли Rho GTPases в клеточной полярности можно увидеть на хорошо изученной дрожжевой клетке. Прежде чем клетка сможет дать почку, Cdc42 используется для определения участка клеточной мембраны, который начнет выпячиваться в новую клетку. Когда Cdc42 удаляется из клетки, выросты все еще формируются, но делают это неорганизованно. [17]
Одним из наиболее очевидных изменений в морфологии клеток, контролируемых белками Rho, является образование ламеллиподий и филоподий , выступающих отростков, которые выглядят как «пальцы» или «ноги» и часто перемещают клетки или конусы роста по поверхности. Практически все эукариотические клетки формируют такие отростки при активации Rho. [10] Фибробласты , такие как клетки Swiss 3T3, часто используются для изучения этих явлений.
Большая часть того, что известно об изменениях клеточной морфологии и эффектах белков Rho, связана с созданием конститутивно активной мутированной формы белка. Мутация ключевой аминокислоты может изменить конформацию всего белка, заставляя его навсегда принять конформацию, напоминающую состояние, связанное с GTP. [9] Этот белок не может быть инактивирован обычным образом посредством гидролиза GTP и, таким образом, «застревает». Когда активированный таким образом белок Rho экспрессируется в клетках 3T3, возникают морфологические изменения, такие как сокращения и образование филоподий. [9]
Поскольку белки Rho связаны с G-белками и плазматической мембраной, их расположение можно легко контролировать. В каждой ситуации, будь то заживление ран, цитокинез или почкование , можно визуализировать и идентифицировать место активации Rho. Например, если в сферической клетке образуется круглое отверстие, Cdc42 и другие активные Rhos наблюдаются в наибольшей концентрации по окружности кругового повреждения. [11] Одним из методов поддержания пространственных зон активации является прикрепление к актиновому цитоскелету, предотвращающее диффузию мембраносвязанного белка из области, где он больше всего необходим. [11] Другой метод поддержания заключается в формировании большого комплекса, устойчивого к диффузии и более прочно связанного с мембраной, чем сам Rho. [11]
Помимо образования ламеллиподий и филоподий, внутриклеточная концентрация и перекрестные взаимодействия между различными белками Rho приводят к растяжениям и сокращениям, которые вызывают клеточное движение. Сакумура и др. предложил модель, основанную на дифференциальных уравнениях, которая помогает объяснить активность белков Rho и их связь с движением. Эта модель включала три белка Cdc42, RhoA и Rac. Предполагалось, что Cdc42 стимулирует удлинение филоподий и блокирует деполимеризацию актина. Считалось, что RhoA способствует ретракции актина. Rac лечили, чтобы стимулировать расширение ламеллиподий, но блокировать деполимеризацию актина. Эти три белка, хотя и значительно упрощены, охватывают ключевые этапы клеточного движения. С помощью различных математических методов были найдены решения дифференциальных уравнений, описывающих различные области активности, основанные на внутриклеточной активности. В заключение статья показывает, что модель предсказывает наличие нескольких пороговых концентраций, которые вызывают интересные эффекты на активность клетки. Ниже определенной концентрации активность очень мала, что не приводит к расширению рук и ног клетки. Выше определенной концентрации белок Rho вызывает синусоидальные колебания, очень похожие на растяжение и сокращение ламеллиподий и филоподий. По сути, эта модель предсказывает, что увеличение внутриклеточной концентрации этих трех ключевых активных белков Rho вызывает противофазную активность клетки, что приводит к растяжениям и сокращениям, которые также противофазны. [19]
Одним из примеров поведения, модулируемого белками Rho GTPase, является заживление ран. Раны заживают по-разному у молодых цыплят и взрослых цыплят. У молодых цыплят раны заживают путем сокращения, подобно тому, как натягивают веревку, чтобы закрыть сумку. У пожилых цыплят клетки ползают по ране посредством передвижения. Образование актина, необходимое для закрытия ран у молодых цыплят, контролируется белками Rho GTPase, поскольку после инъекции бактериального экзофермента, используемого для блокирования активности rho и rac, полимеры актина не образуются, и, таким образом, заживление полностью прекращается. [20]
Исследования фибробластов указывают на положительную обратную связь между активностью Cdc42 и оттоком H+ изоформой 1 обменника Na-H (NHE1) на переднем крае мигрирующих клеток. Опосредованный NHE1 отток H+ необходим для катализируемого фактором обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) связывания GTP с Cdc42, что указывает на механизм регуляции полярности с помощью этой небольшой GTPase в мигрирующих клетках. [21]
Еще одним клеточным поведением, на которое влияют белки rho, является фагоцитоз. Как и в случае большинства других типов модуляции клеточной мембраны, фагоцитоз требует актинового цитоскелета для поглощения других элементов. Актиновые филаменты контролируют образование фагоцитарной чашки, а активные Rac1 и Cdc42 участвуют в этом сигнальном каскаде. [22]
Еще одним важным аспектом клеточного поведения, который, как полагают, включает передачу сигналов rho-белка, является митоз . Хотя в течение многих лет считалось, что активность rho-GTPase ограничивается полимеризацией актина и, следовательно, цитокинезом , который происходит после митоза, появились новые данные, показывающие некоторую активность в образовании микротрубочек и самом процессе митоза. Эта тема до сих пор обсуждается, и есть доказательства как за, так и против важности ро в митозе. [23]
Из-за своего влияния на подвижность и форму клеток Rho-белки стали явной мишенью при изучении конусов роста , которые образуются во время генерации и регенерации аксонов в нервной системе. Белки Rho могут быть потенциальной мишенью для доставки в очаги поражения спинного мозга после травматического повреждения. После повреждения спинного мозга внеклеточное пространство становится тормозящим естественные усилия нейронов по регенерации.
Эти естественные усилия включают формирование конуса роста на проксимальном конце поврежденного аксона. Вновь образовавшиеся конусы роста впоследствии пытаются «ползти» по пораженному месту. Они чувствительны к химическим сигналам во внеклеточной среде. Одним из многих ингибирующих сигналов являются протеогликаны хондроитинсульфата (CSPG). Нейроны, растущие в культуре, становятся более способными пересекать области субстрата, покрытые CSPG, после экспрессии конститутивно активного Cdc42 или Rac1 [24] или экспрессии доминантно-негативной формы (ингибирование) RhoA [ нужна цитация ] . Частично это связано с тем, что экзогенные белки Rho управляют клеточным движением, несмотря на внеклеточные сигналы, способствующие апоптозу и коллапсу конуса роста. Таким образом, внутриклеточная модуляция белков Rho представляет интерес для исследований, направленных на регенерацию спинного мозга.
Дисфункция белков Rho также связана с умственной отсталостью . Умственная отсталость в некоторых случаях связана с пороками развития дендритных отростков , которые образуют постсинаптические связи между нейронами . Деформированные дендритные шипы могут быть результатом модуляции передачи сигналов rho-белка. После клонирования различных генов, участвующих в Х-сцепленной умственной отсталости, были идентифицированы три гена, влияющие на передачу сигналов Rho, включая олигофренин-1 (белок GAP, который стимулирует ГТФазную активность Rac1, Cdc42 и RhoA), PAK3 (участвующий в эффекты Rac и Cdc42 на актиновый цитоскелет) и αPIX (GEF, который помогает активировать Rac1 и Cdc42). [25] Из-за влияния передачи сигналов Rho на актиновый цитоскелет генетические нарушения белка rho могут объяснить неправильную морфологию нейрональных дендритов, наблюдаемую в некоторых случаях умственной отсталости.
После обнаружения того, что белки Ras мутируют в 30% случаев рака у человека, возникли подозрения, что мутированные белки Rho также могут участвовать в размножении рака. [12] Однако по состоянию на август 2007 года в белках Rho не было обнаружено никаких онкогенных мутаций, и только одна была обнаружена генетически измененной. [12] Чтобы объяснить роль путей Rho без мутаций, исследователи теперь обратились к регуляторам активности Rho и уровням экспрессии белков Rho.
Один из способов объяснить изменение передачи сигналов при отсутствии мутаций — усиление экспрессии. Сверхэкспрессия RhoA, RhoB, RhoC, Rac1, Rac2, Rac3, RhoE, RhoG, RhoH и Cdc42 была показана при нескольких типах рака. [12] Повышенное присутствие такого большого количества сигнальных молекул означает, что эти белки способствуют клеточным функциям, которые становятся чрезмерно активными в раковых клетках.
Второй целью для объяснения роли белков Rho в развитии рака являются их регуляторные белки. Белки Rho очень жестко контролируются множеством источников, и было идентифицировано более 60 активаторов и 70 инактиваторов. [17] Было показано, что множественные GAP, GDI и GEF подвергаются сверхэкспрессии, подавлению или мутациям при различных типах рака. [12] Как только восходящий сигнал будет изменен, активность его мишеней ниже по течению, то есть белков Rho, изменится.
Элленбрук и др. описал ряд различных эффектов активации Rho в раковых клетках. Во-первых, при инициации опухоли модификация активности Rho может подавлять апоптоз и, следовательно, способствовать искусственному долголетию клеток. После подавления естественного апоптоза можно наблюдать аномальный рост опухоли через потерю полярности, в которой белки Rho играют важную роль. Затем растущая масса может проникнуть через свои нормальные границы за счет изменения белков адгезии, потенциально вызванного белками Rho. [12] Наконец, после ингибирования апоптоза, клеточной полярности и молекул адгезии раковая масса может метастазировать и распространяться в другие части тела.
{{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )Несколько мутаций в белках Rho были выявлены при крупномасштабном секвенировании раковых опухолей. Эти мутации перечислены в базе данных «Каталог соматических мутаций» (http://www.sanger.ac.uk/genetics/CGP/cosmic/). Функциональные последствия этих мутаций неизвестны.
